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國內外大廠投入醫療晶片研發、數據分析
搭上健康量測熱潮

【作者: 葉奕緯】   2018年04月27日 星期五

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智慧化的浪潮,已經席捲到醫療產業上了。自從蘋果、小米以及Fitbit推出穿戴式健康量測產品後,醫療的跨界應用便開始受到大眾重視,而專為感測人體數據的晶片也因而誕生,各家皆提出不同解決方案。


根據Forrester的資料顯示,到2022年,智慧手錶將佔據穿戴式裝置市場的55%佔有率,比起2016年的21%足足提高了三倍,市占比比起健康手環有明顯的提升。因此過去研發健康手環的品牌商,現多轉為研發智慧手錶。


隨著零組件成本的不斷下降,愈來愈多的公司能夠在一定的成本之下生產智慧手錶,各廠也逐步掌握良好的使用者體驗情境, 雖然智慧手錶目前面臨相關應用程式數量偏少、續航力低、介面操作困難等問題,但未來若有機會結合語音助理技術,將能提升使用者體驗,大幅提高使用率。


除了智慧手錶外,包括傳統的血壓機、血糖機,甚至是手術台上的儀器都將有望更數位化,而其中的晶片是關鍵零組件,背後的軟體演算法也居功甚偉。


聯發科生物感應類比晶片

如聯發科便搶先發布全球第一款六合一智慧健康晶片MT6381,測試結果顯示,MT6381僅需約60秒即可測量六項生理數據,包括心率、心率變異、血壓趨勢、血氧飽和度、心電圖、光體積脈搏波圖等。


聯發科過去在健康醫療領域便頗有著墨,不久前便曾推出首款專為健康與健身行動裝置設計的生物感應類比前端晶片MT2511。這款晶片即可同時收集心電圖和光電容積脈搏波發出的生物信號。



圖一 : 聯發科發布首款六合一智慧健康晶片(Source: engadget)
圖一 : 聯發科發布首款六合一智慧健康晶片(Source: engadget)

MT6381晶片將能與智慧手機或手機配件結合,讓使用者隨時隨地了解自己的身體狀況, 聯發科表示相較先前分散式解決方案,這個晶片硬體模組將前端訊號處理、多種感測器等電、光學元件高度整合在一起,可以直接嵌入進智慧手機及配件等終端設備,能使終端客戶廠商提供更靈活客製化的應用嘗試。


在技術上,聯發科也與台大、台大醫院等合作,運用穿戴式生物感測技術及生理訊號分析方法,取得高準確性,未來將可應用於早期診斷、預防心房顫動所引發的中風及心臟疾病。


松翰推出醫療專用MCU

另外,台灣松翰科技則推出專屬醫療應用晶片MCU,鎖定血壓計、體脂秤、血糖機、耳溫槍及紅外測溫等應用,專用於個人醫療設備、居家保健用電子器材產品與高精度量測裝置。


這款8051 MCU以高精準度特性獲得歐美及日本各大血壓計廠商採用,松翰續推出新系列SN8F5919及SN8F5939,提供不同的ROM/RAM整合周邊資源,在產品規畫上具備延伸性,且可滿足客戶多元化需求。


如SN8F5909 IC是專門為血壓計、耳溫槍等產品所設計的,其採用8051 MCU核心、64KB Flash Memory、標準Keil C compiler開發環境,同時搭配內建32-Bit乘除法器,不論在產品開發時程上與IC執行運算效率上大幅提升。


並且內建高精度AFE類比前端電路,整合OPA運算放大器、PGIA可調整式儀錶放大器與24-Bit高精度ADC,讓血壓計設計所需定電流源,其訊號放大濾波功能、類比數位轉換,皆由IC內部功能完成,不須外加其他元件,可大幅降低整體開發成本且縮短量產時程。


其中還內建電源管理電路Charge Pump Regulator,操作電壓範圍可達5.5V-2.0V,特別是腕式血壓計產品,不需額外使用DC/DC升壓IC元件,在電源設計與LCD顯示規劃更具彈性,LCD採用電容式驅動設計,面板顯示特性佳,最多可支援252點輸出,完全滿足血壓計應用需求。


包括UART、SPI、I2C通訊界面齊全,不論量產通訊介面、SPI語音介面、BLE/WiFi通訊介面需求,多元化的介面使客戶更容易實現醫療產品功能加值與IOT應用。同時支援ISP(In-System Programming)功能,系統程序更新、產品校正用途及使用者資訊儲存更具即時性。


電子醫療量測產品進入門檻較高,須符合各國的醫療規範及通過嚴謹認證,產品開發時間長,過去關鍵零組件及主要的晶片多為外商供應,松翰屬於少數切入耕耘醫療與量測市場的台廠。


台廠爭相投入研發


圖二 : 歐姆龍、百靈等健康量測廠商,也多採用國內供應商所提供之MCU(Source:OMRON)
圖二 : 歐姆龍、百靈等健康量測廠商,也多採用國內供應商所提供之MCU(Source:OMRON)

此外,還有原相、偉詮電、新唐、盛群等業者看見健康量測的新趨勢,近幾年陸續開發出健康量測相關晶片,並獲得系統業者採用。


以原相為例,搭載PPG光容積技術及客製化演算法(Algorithms)的心跳感測晶片,已打進韓國LG、大陸龍旗、美國Under Armour供應鏈,在健康量測市場持續擴大市占率。


Apple Watch同樣使用業內常見的光電測量法,又可稱為光體積變化描記圖法( photoplethysmography,PPG)。它的原理是當心臟跳動時,人體全身血管會有微小波動,此時射出一束光到人的手腕上,並用攝影機觀察反射的陰影。如果其中有微小變化,就認為心臟跳動一次。


偉詮電同樣推出同樣基於PPG技術的心率監測微控制器,搭配新日本無線電(New JRC)的光學傳感器及羅姆(ROHM)的加速度計,完整健康量測模組方案已量產出貨,並獲ODM廠採用在高爾夫球用智慧手錶上。



圖三 : 健康量測供應商整理
圖三 : 健康量測供應商整理

盛群及新唐的健康量測微控制器(MCU)近幾年放量出貨,如盛群推出多款針對血壓計或血糖儀的設計方案,專攻血糖儀或整合血糖、尿酸及膽固醇量測的多合一機型或穿戴裝置。新唐也開發出超低功耗的健康量測MCU並量產出貨,前進血壓計、血糖儀、計步器、心電儀、血氧儀等功能的行動裝置市場。


NVIDIA引進大數據實現精準醫療

現代醫學也漸漸和人工智慧(AI)進行結合,人工智慧除了可以幫助醫生分擔工作量外,也可以提高診斷的準確度。近期,NVIDIA跟通用電氣(GE)宣布一項合作,NVIDIA的AI晶片將導入通用旗下GE Healthcare全球50萬台醫療檢測儀器中,加速醫療數據處理、分析,讓醫生在進行診斷時達成更高的準確率。


NVIDIA也正在與醫療人員研究AI在醫學方面發展的可能性,未來幾年將會擴大AI在醫療面的應用。並將深度學習技術應用於影像、大量數據處理上,未來的人工智慧將能協助病患評估風險、提供解決方案。



圖四 : 光體積變化描記圖法,用以測量心率變化(Source: Instructables)
圖四 : 光體積變化描記圖法,用以測量心率變化(Source: Instructables)

近期通用電氣50萬台Revolution Frontier CT(電腦斷層檢查儀),也將導入NVIDIA的AI平台,跟傳統儀器相比,這套系統除了可以降低輻射量外,還能讓電腦斷層的影像處理速度提升一到兩倍,如此一來將能大大改善醫師的工作流程以及節省大量時間。


目前,Revolution Frontier CT(電腦斷層檢查儀)已經取得美國食品藥品監督管理局(FDA)的認證許可,在影像處理速度加快的情況下,在肝臟、腎臟病變的臨床檢測預期能帶來更好的結果;GE Healthcare為首家採用NVIDIA GPU Cloud雲端平台的醫療設備商。


透過GPU加速的深度學習技術,將能用來打造更複雜的神經網路,未來的應用場景包括改善2D、4D 影像顯示、為病患血流提供可視化和量化數據,進而增進醫療狀況評估、臨床診斷決策等醫療應用。


醫院平均每年會產生50PB的數據,而大多數的資料都沒有經過處理或分析,NVIDIA的AI晶片將能加速處理這些大量數據,此外NVIDIA與通用還深化雲端服務合作,通用將部分資料存放在NVIDIA的GPU雲端平台上。



圖五 : GE Healthcare採用NVIDIA GPU Cloud雲端平台,用來處理大量醫療數據(Source:TechSpot)
圖五 : GE Healthcare採用NVIDIA GPU Cloud雲端平台,用來處理大量醫療數據(Source:TechSpot)

NVIDIA與GE醫療集團的合作關係,結合了醫療儀器和AI的專業知識,能進一步打造出改善病患護理的智慧器材。與NVIDIA的合作,GE醫療集團將能透過新型設備為全球患者提高診斷速度與準確性。


除了通用電器,NVIDIA也與語音軟體公司Nuance合作,將NVIDIA的深度學習平台與旗下影像診斷AI系統結合,未來透過這套系統能讓全美70%的放射科醫師都能共享影像和報告解決方案,大大提升工作效率。


蘋果提供Kit加速醫療軟體開發

近期,蘋果所推出的智慧手錶Apple Watch 3以及新版的作業系統Apple WatchOS 4,加強了健康量測相關的功能,可以直接用來進行心跳監測,當發現不尋常動態時即可發出預警提示。此外,蘋果數年前推出的HealthKit及近來推出的CareKit都協助App開發商開發醫療感測相關軟體,讓用戶可以更容易獲取自己在血糖值、睡眠、哮喘、運動狀態等不同的醫療數據。


蘋果、NVIDIA在內的科技大廠雖然並非醫療專業出身,然而他們提供的醫療感測方案及健康量測技術,將會加速醫療產業的發展以及準確性,未來搭載監測心跳、血壓、血糖等醫療數據的健康量測穿戴裝置,也將會持續成長。國內供應商也提供各式MCU,打入健康量測這塊日益成長的新市場。


**刊頭圖(Source: The Verge)


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